CN102868402A - 一种测试模数转换器主要性能指标的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试模数转换器主要性能指标的方法，用一个有极好相噪特性的第一信号源作为采样时钟源，用一个有极好相噪特性的第二信号源作为模拟输入信号，第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调，经前置放大器放大的模拟输入信号与经时钟电路转换后的采样时钟输入信号一同通过模数转换器转换成数字信号，该数字信号与经时钟电路转换后的另一路采样时钟输入信号一同通过逻辑模块传输给数字采集模块或逻辑分析仪。通过测试数字接收机中ADC主要性能指标，可为整个接收机系统的检测性能、动态范围、灵敏度等主要指标带来参考价值，为产品设计师快速、准确的对接收机整机设计中问题进行定位提供重要参考等有益效果。

Description

一种测试模数转换器主要性能指标的测试方法

技术领域

本发明涉及数字中频接收机和软件无线电理论，特别涉及一种测试模数转换器性能指标的测试方法。 

背景技术

众所周知，数字中频接收机中模数转换是一个很重要的环节，ADC性能好坏关系到整个接收机的性能，所以对于数字信号指标（如无寄生动态范围（SFDR），信噪比（SNR），信号与噪声和失真比（SINAD），转换位数，转换速率）的测试是非常有意义的。通过测试数字接收机中ADC主要性能指标，可为整个接收机系统的检测性能，动态范围，灵敏度等主要指标带来参考价值，通过对数字接收机单机上ADC性能的测试可为硬件电路设计师对印制板的抗电磁干扰的优劣提供参考。 

现有测试模数转换器性能指标的测试系统存在测试指标不准确的技术问题。 

发明内容

本发明的目的应用于数字接收机，提出一种测试数字接收机中模拟信号经过ADC后的主要性能指标技术的测试系统，本发明解决了接收机整机性能测试的问题，为产品设计师快速，准确的对接收机整机设计中问题进行定位提供重要参考等有益效果，该技术实现简单，通用性强，此测试方法可适应于任意型号的模数转换器。 

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题通过以下技术方案实现： 

一种测试模数转换器主要性能指标的测试方法，包括： 

一个相噪特性满足预设要求的第一信号源作为其采样时钟源，一个有相噪特性满足预设要求的第二信号源作为模数转换器的模拟输入信号，并且第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调； 

经前置放大器放大的模拟输入信号与经时钟电路转换后的采样时钟输入信号一同通过所述模数转换器转换成数字信号； 

模拟信号转换成数据信号后的数据采集模块，其为逻辑分析仪或FPGA自带的数字采集模块，若通过FPGA自带的数字采集模块采集数据中取有用点数的数据存储在FPGA的RAM里，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果，转换后的数字信号后端未设置数字采集硬件，或通过逻辑分析仪此类的数据采集测试仪器读出有用点数据，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，所述提供给接收机的输入信号的信号源需通过一个带通滤波器。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，所述第一信号源和第二信号源的源信号相参。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，所述进入模数转换器的输入信号的最大幅度要比满幅度减少1dB。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，采集到的数据以dat文件格式保存下来后，对数字信号进行频域FFT处理。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，截取数字信号的一段数据对有限点数的数据做频域处理。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，所述测试方法还包含窗函数的处理过程，使用汉宁窗使窗函数与输入信号的周期匹配。 

依照本发明较佳实施例所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，所述测试方法可对连续信号和/或离散数字信号进行能量谱分析。 

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果： 

本发明是一种可用于测试模数转换器性能指标的技术，由于本技术可通过上述的硬件平台采集数据，再把数据导入测试软件中得出测试结果。整个测试算法都是用计算机的软件测试完成，不需要额外的硬件，测试方法通用性强，可靠性高，试用的场所多。该发明能提供给产品设计师该产品性能的指标参考及快速，准确的对接收机整机设计中问题进行定位。 

附图说明

附图为本发明具体实施例ADC性能测试的硬件平台搭建框图。 

具体实施方式

下面结合附图举一具体实施例对本发明作进一步的详细描述。 

参见图1，一种测试模数转换器主要性能指标的方法，其特征在于，用一个有极好相噪特性的第一信号源作为采样时钟源1，用一个有极好相噪特性的第二信号源作为模拟输入信号2，所述第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调，经前置放大器3放大的模拟输入信号与经时钟电路4转换后的采样时钟输入信号一同通过模数转换器（ADC）5转换成数字信号，该数字信号与经时钟电路4转换后的另一路采样时钟输入信号一同通过逻辑模块6采集，或传输给数字中频接收机7的数字采集模块8。数字采集模块8经USB线缆9传输到计算机10中进行ADC性能分析。 

评估ADC性能的一个通用方法是正弦波曲线拟合。如果输入信号是纯正弦波，且ADC理想，就可产生某种理想图形。一般来说，通过ADC的实际输出图形与理想情况下的图形不同，由于噪声一直存在，编码电平转换也有某些不确定性。为了减小这种不确定性，就需要大量的数据点。假设噪声具有零均值且正态分布，就可以计算出估计精度。数据记录是从具有特定参数的连续波中录取的并作以下规定： 

1、用有极好相噪的源作为信号和时钟的输入 

测试硬件平台主要基于需要测试的ADC器件的硬件电路，用一个有极好相噪特性的晶振或信号源作为采样时钟源1，用一台有极好相噪特性的信号源作为模拟输入信号2，此源的输入频率及幅度均可 调，如使用两台信号源需保证两台信号源产生的源信号相参。用两台相噪极好的源做为模数转换器5的时钟源输入和信号源输入，提供给接收机的输入信号的源需经过一个带通滤波器。采样时钟的通路中，不应有逻辑门电路，时钟边缘上如果有抖动会引起采数据时的偏差，使实际采样的电平值除了与真实值之间存在量化误差以外还有相位抖动误差。特别是，当时钟信号频率值越高，抖动存在时，采样出来的数据偏离真实值就越大。转换后的数字信号如经过FPGA可用FPGA自带的数据观测采集软件将有用点数的数字信号存储在FPGA的RAM里，若无硬件采集设备可用数据采集仪器采集大量点数的数字信号并存储。 

2、输入信号的最大幅度要比满幅度减少1dB输入 

线性系统在小信号时的功率增益G=Po/Pi为常数，信号大到一定程度系统开始饱和(功率Po开始压缩),信号功率将不会成线性的增加，即功率增益G'=Po/Pi开始压缩,存在一个1dB增益压缩点。因此进入模数转换器5最大信号输入功率应比满幅度小于1dB测试。 

3、对数字信号做有效点数的FFT加窗处理 

在实际情况中不可能对无限点的数据进行数据的分析，输入信号必须对其时域上的长度有所约束，即截取输入信号的一段数据对有限点数的数据做频域处理。由于取样效应变成周期性，输出信号的频谱也是周期性的。输入信号相对于N始终是周期性的，如果窗函数与信号的周期不匹配的话，那么输入信号将不再是一个连续的正弦波，而是被分裂成许多不连续的段，其结果是在频域上存在很多虚假的谱 弦。 

为了减小不连续性甚至是消除。此处用特殊窗来代替简单的矩形窗。特殊窗的旁瓣比矩形窗低，有许多不同种类的窗函数可以来降低不连续性，评估窗函数性能的一种方法就是测量主瓣宽度和旁瓣电平。对于接收机而言，低旁瓣意味这可以获得高的动态范围，而宽的主瓣会使频率分辨率变差。所以窗函数的选择通常是在频率分辨率和动态范围之间进行折中考虑。此处测试程序选择的是汉宁窗，可以达到比较理想的效果。整个信号加窗处理后，通过窗函数边缘的平滑性，可消除不匹配问题。虽然主信号的能量有所衰减，但整个噪声功率也有所下降。用FFT处理输入信号的优点是，计算量少，利于实时处理，实用性强，可以适用与任何数据点的采集。 

4、信号的能量谱分析 

能量谱和功率谱表示信号的能量和功率密度在频域中随频率的变化情况，它对研究信号的能量（或功率）的分布，决定信号所占有的频带等问题有着重要的作用。由连续信号的能量谱和功率谱的理论，这个同时也可以运用与离散数字信号，可以知道在时域内信号的能量等效于在频域内信号的能量，即信号经过离散的傅里叶变化后，其总能量保持不变，这是符合能量守恒定律的。现在做如下的数学分析，由连续信号f(t)的能量关系，信号的能量为: 

$E={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|f\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|F\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2\mathrm{d\ω}---\left(1\right)$

上述公式(1)中 

为信号在时域内的总能量， 为信号在频域内的总能量。其中f(t)为信号电压或电流，F(ω)为f(t)的频谱密度。 

对于离散数字信号，在时域上是由一个个的离散点的组合的，在频率上其实也是由N个离散点组成信号频谱。它的频率平均分布在[0,2π]，则 

代入（1）式，可以得出等效在离散域信号能量为： 

$E=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f\left(n\right)\right|}^2=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|F\left(k\right)\right|}^2*\frac{1}{N}---\left(2\right)$

其中，N为频域采样点数，n为时间变量，k为频率变量。 

有了上述约束，就可以依据数学算法对数据进行动态范围（SFDR），信噪比（SNR），信号与噪声和失真比（SINAD），转换位数，转换速率的测试。 

综上所述，本发明运用了特定的算法及一定的约束条件，可正确的实现任意模数转换器的性能指标测试。此发明具有硬件平台搭建简单、软件测试可靠性高、容易实现的特点，并具有一定的通用性，可广泛应用于类似的接收机性能测试系统中。 

也就是说，一种测试模数转换器主要性能指标的测试系统，用于测试将模拟信号进行模数转换的模数转换器的性能指标，包括：采样时钟源、数字采集模块，其中： 

采样时钟源：一个相噪特性满足预设要求的第一信号源作为其采样时钟源，一个有相噪特性满足预设要求的第二信号源作为模数转换 器的模拟输入信号，并且第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调; 

模数转换器:用于经前置放大器放大的模拟输入信号与经时钟电路转换后的采样时钟输入信号一同通过所述模数转换器转换成数字信号; 

模拟信号转换成数据信号后的数据采集模块，其为逻辑分析仪或FPGA自带的数字采集模块，若通过FPGA自带的数字采集模块采集数据中。若通过FPGA自带的数据观测采集软件取有用点数的数据存储在FPGA的RAM里，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果，转换后的数字信号后端未设置数字采集硬件，或 

通过逻辑分析仪此类的数据采集测试仪器读出有用点数据，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果。 

其中，第一信号源前端上设置一个带通滤波器。较佳地，所述第一信号源和第二信号源的源信号相参。 

最好地，所述进入模数转换器的输入信号的最大幅度要比满幅度减少1dB。 

另外，采集到的数据以dat文件格式保存下来后，对它进行频域FFT处理，截取数字信号的一段数据对有限点数的数据做频域处理，并且还包含窗函数的处理过程，使用汉宁窗使窗函数与输入信号的周期匹配。 

其约束条件为： 

对于离散数字信号，在时域上是由一个个的离散点的组合的，在 频率上也是由N个离散点组成信号频谱，它的频率平均分布在[0,2π]，则 

得出等效在离散域信号能量为： 

$E=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f\left(n\right)\right|}^2=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|F\left(k\right)\right|}^2*\frac{1}{N}$

对应的，一种测试模数转换器主要性能指标的测试方法，包括： 

一个相噪特性满足预设要求的第一信号源作为其采样时钟源，一个有相噪特性满足预设要求的第二信号源作为模数转换器的模拟输入信号，并且第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调; 

经前置放大器放大的模拟输入信号与经时钟电路转换后的采样时钟输入信号一同通过所述模数转换器转换成数字信号; 

该数字信号与经时钟电路转换后的另一路采样时钟输入信号一同通过逻辑模块进行传输； 

通过FPGA自带的数据观测采集软件取有用点数的数据存储在FPGA的RAM里，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果，转换后的数字信号后端未设置数字采集硬件，或通过逻辑分析仪此类的数据采集测试仪器读出有用点数据，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果. 

所述提供给接收机的输入信号的信号源需通过一个带通滤波器。并且，所述第一信号源和第二信号源的源信号相参。 

采集到的数据以dat文件格式保存下来后，对数字信号进行频域FFT处理。截取数字信号的一段数据对有限点数的数据做频域处理。 

并且，测试方法还包含窗函数的处理过程，使用汉宁窗使窗函数 与输入信号的周期匹配。 

还有，所述测试方法可对连续信号和/或离散数字信号进行能量谱分析。 

应当理解的是这里所描述的方法和系统可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理机或者它们的组合实现。尤其是，至少本发明的一部分包括程序指令的应用程序优选实现。这些程序指令被确实地包括在一个或者多个程序存储设备（包括但不限于硬盘，磁性软盘，RAM，ROM，CD，ROM等）里，并且可由任何包括适当结构的设备或者机器，例如一种具有处理器、内存和输入/输出接口的通用数字计算机执行。还应当理解由于附图中描述的一些系统的组成部件和处理步骤优选地以软件实现，所以，系统模块（或者方法步骤的逻辑流程）之间的连接可能不同，这取决于本发明的编程方式。根据这里给出的指导，相关领域的普通技术人员将能够设计出本发明的这些以及类似的实施方式。 

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，包括：

一个相噪特性满足预设要求的第一信号源作为其采样时钟源，一个有相噪特性满足预设要求的第二信号源作为模数转换器的模拟输入信号，并且第一和第二信号源的输入频率及幅度均可调；

经前置放大器放大的模拟输入信号与经时钟电路转换后的采样时钟输入信号一同通过所述模数转换器转换成数字信号；

模拟信号转换成数据信号后的数据采集模块，其为逻辑分析仪或FPGA自带的数字采集模块，若通过FPGA自带的数字采集模块采集数据中取有用点数的数据存储在FPGA的RAM里，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果，转换后的数字信号后端未设置数字采集硬件，或通过逻辑分析仪此类的数据采集测试仪器读出有用点数据，数据导出成dat文件后导入到测试程序里得出测试结果。

2.如权利要求1所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，所述提供给接收机的输入信号的信号源需通过一个带通滤波器。

3.如权利要求1所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，所述第一信号源和第二信号源的源信号相参。

4.如权利要求1所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，所述进入模数转换器的输入信号的最大幅度要比满幅度减少1dB。

5.如权利要求4所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，采集到的数据以 dat文件格式保存下来后，对数字信号进行频域FFT处理。

6.如权利要求5所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，截取数字信号的一段数据对有限点数的数据做频域处理。

7.如权利要求1所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包含窗函数的处理过程，使用汉宁窗使窗函数与输入信号的周期匹配。

8.如权利要求1所述的测试模数转换器主要性能指标的测试方法，其特征在于，所述测试方法可对连续信号和/或离散数字信号进行能量谱分析。

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